CN101189499A - 内燃机爆震判定设备 - Google Patents

Abstract

发动机ECU执行包括以下步骤的程序：使用带通滤波器从由设置在气缸中央上部的缸内压力传感器感测的振动中检测与径向一阶共振模式相对应的振动(S100)；基于所检测到的波形和预先作为爆震发生的振动波形准备的爆震波形模型之间的比较结果计算爆震强度N(S108)；当爆震强度N大于预定基准值时(在S110中为是)，判定发生爆震(S112)；当爆震强度N不大于预定基准值(在S110中为否)，判定爆震还未发生(S116)。

Description

内燃机爆震判定设备

技术领域

本发明涉及爆震判定设备，更具体而言，涉及基于内燃机的振动波形判定是否发生爆震的用于内燃机的爆震判定设备。

背景技术

传统地，公知用于检测内燃机爆震的技术。日本专利公开No.2001-227400公开了一种能够精确地判定发动机是否发生爆震的用于内燃机的爆震控制设备。该用于内燃机的爆震控制设备包括信号检测器、发生时段检测器、波峰位置检测器、爆震判定器和爆震控制器，其中信号检测器检测表示内燃机中发生的振动波形的信号(或者振动波形信号)，发生时段检测器将由检测信号检测器检测的振动波形信号为预定值或者更高的时段检测为发生时段，波峰位置检测器检测在由发生时段检测器检测的发生时段中的波峰位置，爆震判定器基于发生时段和波峰位置之间的关系判定内燃机是否发生爆震，爆震控制器根据爆震判定器的判定结果控制内燃机的工作状态。当相对于发生时段的波峰位置处于预定范围中时，爆震判定器判定发生爆震。

根据在公开中所揭示的用于内燃机的爆震控制设备，表示在内燃机中发生的振动波形的信号是由信号检测器检测的。振动波形信号为预定值或者更高的发生时段和其中的波峰位置分别由发生时段检测器和波峰位置检测器检测。因而，爆震判定器能够通过检测振动波形信号的发生时段中波峰的位置来判定发生是否发生爆震。根据爆震判定结果，控制内燃机的工作状态。当相对于发生时段的波峰位置在预定范围中时，即，当波形的形状为波峰的位置相对于振动波形信号的发生时段的预定长度出现较早时，爆震判定器将其识别为爆震特有的。因而，即使在内燃机的工作状态急剧变化的过渡状态或者当电负荷开启/关闭时，可以精确地判定内燃机是否发生爆震，因而能够适合地控制内燃机的工作状态。

然而，在内燃机发生爆震时，幅度比因爆震引起的振动大的振动有时会检测为噪声。即，在一些情况下，因爆震传感器的异常或者因内燃机自身振动引起的振动的幅度会比因爆震引起的振动大。在此情况下，利用日本专利公开No.2001-227400的用于内燃机的爆震控制设备，会有这样的问题，即在发动机实际发生爆震时，基于相对于发生时段的波峰位置不在预定范围内这样的情况而判定发动机没有发生爆震。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种能够高精度地判定发动机是否发生爆震的爆震判定设备。

根据一方面，本发明提供一种用于判定内燃机的爆震的爆震判定设备。该爆震判定设备包括：检测单元，其设置在与包括切向模式和径向模式的共振模式中任一者相对应的检测位置处，并检测由内燃机燃烧引起的振动，共振模式是在内燃机的气缸中燃烧压力传播的共振模式，振动包括与共振模式相对应的振动；以及判定单元，其基于所检测到的振动来判定在内燃机中是否发生爆震。

根据本发明，检测单元设置在与共振模式(即，切向模式和径向模式)中任一者相对应的检测位置处(诸如气缸中央上部)，该共振模式是在内燃机的气缸中燃烧压力传播的共振模式。检测单元检测由内燃机燃烧引起的振动(气缸中的振动)，该振动包括对应于共振模式的振动。判定单元基于所检测到的振动判定在内燃机中是否发生爆震。当在气缸中发生爆震时，内燃机的缸内压力共振。缸内压力的共振导致内燃机的振动。例如，通过从缸内压力提取出缸内共振频率的频带内的振动能够检测到爆震特有的振动。缸内压力的共振频率具有与气缸中气柱振动的共振模式相对应的值。特别是在发生爆震时能够检测到的代表性的共振模式包括径向一阶共振模式和切向一阶、二阶、三阶和四阶共振模式。例如，当感测到气缸中央上部的缸内压力时，可以感测到受到径向一阶共振模式的频带的振动影响较大的、由内燃机燃烧引起的振动。当感测到在与气缸的中心轴线正交的方向上的缸内压力时，可以感测受到切向一阶、二阶、三阶和四阶共振模式的频带的振动影响较大的、由内燃机燃烧引起的振动。因而，通过在与每个共振模式相对应的检测位置处设置检测单元，可以检测受到每个共振模式的振动影响较大的、由内燃机的燃烧引起的振动。因而，通过将包括爆震特有的振动、与共振模式相对应的频带的振动提取出来，能够根据所检测的振动检测爆震特有的振动，因而，能够提供一种能够精确地判定在内燃机中是否发生爆震的爆震判定设备。

优选地，检测单元从气缸的中央上部设置到内燃机的气缸中，并基于气缸中的压力检测由内燃机燃烧引起的振动，该振动包括对应于径向模式的振动。

根据本发明，检测单元从内燃机的气缸的中央上部设置到气缸内。检测单元基于气缸中的压力检测包括对应于径向模式(例如，径向一阶共振模式)的振动、由内燃机燃烧引起的振动。在由从气缸的中央上部朝向气缸内设置的检测单元所检测到的、与径向一阶共振模式相对应的频带的振动中，几乎检测不到在内燃机正常燃烧时产生的噪声。此外，与爆震相对应的振动包括与径向一阶共振模式相对应的频带的振动。因而，通过检测与径向一阶共振模式相对应的频带的振动，能够高精度地检测与爆震相对应的振动，同时能够避开由发动机工作产生的噪声等引起的振动。

更优选地，检测单元设置在内燃机的侧面上，并基于气缸中的压力检测由内燃机燃烧引起的振动，该振动包括对应于切向模式的振动。

根据本发明，检测单元设置在内燃机的气缸的侧面上。检测单元基于气缸中的压力检测包括对应于切向模式(诸如切向一阶、二阶、三阶和四阶共振模式)的振动、由内燃机燃烧引起的振动(缸内压力振动)。爆震特有的振动包括与切向模式相对应的频带的振动。因而，通过将包括爆震特有的振动且在切向一阶、二阶、三阶和四阶共振模式中至少一个共振模式的频带的振动提取出来，可以从所检测到的振动中检测爆震特有的振动。

更优选地，检测单元设置在内燃机上，并检测由内燃机燃烧引起的振动，该振动包括对应于切向模式的振动。

根据本发明，检测单元设置在内燃机上(例如，气缸体或者气缸盖上)。检测单元检测包括对应于切向模式(诸如切向一阶、二阶、三阶和四阶共振模式)的振动、由内燃机燃烧引起的振动(缸内压力振动)。包括与爆震相对应的振动、由内燃机工作产生的振动包括与切向模式相对应的频带的振动。因而，通过从设置在内燃机上的检测单元所检测到的振动中将切向一阶、二阶、三阶和四阶共振模式中至少一个共振模式的频带的振动提取出来，可以从所检测到的振动中高精度地检测与爆震相对应的振动。

更优选地，爆震判定设备还包括提取单元，其将与共振模式相对应的频带振动提取出来。判定单元基于所提取的振动来判定在内燃机中是否发生爆震。

根据本发明，提取单元从检测到的振动中将与共振模式(诸如径向一阶共振模式)相对应的频带的振动提取出来。判定单元基于所提取出的振动判定内燃机是否发生爆震。因而，基于与径向一阶共振模式相对应的频带的振动，能够判定内燃机是否发生爆震。

更优选地，提取单元是带通滤波器或者高通滤波器。

根据本发明，利用带通滤波器和高通滤波器，能够从所检测到的振动中将对应于共振模式(诸如径向一阶共振模式)的振动提取出来。因而，能够高精度地判定内燃机是否发生爆震。

更优选地，爆震判定设备还包括：波形检测单元，其基于所提取的振动来检测预定曲轴角度间隔的振动波形；以及存储单元，其预先存储内燃机的振动波形。判定单元基于所检测到的波形和存储的波形之间的比较结果来判定在内燃机中是否发生爆震。

根据本发明，波形检测单元基于所提取的振动来检测预定曲轴角度间隔的振动波形。存储单元预先存储发生爆震时内燃机的振动波形。判定单元基于所检测到的波形和存储的波形之间的比较结果来判定在内燃机中是否发生爆震。例如，通过实验等准备表示爆震发生时的振动波形的爆震波形模型，并将其预先存储，然后通过比较爆震波形模型和所检测到的波形能够判定是否发生爆震。因而，不仅能够基于振动的幅度而且基于振动发生的时刻来判定是否发生爆震。结果，能够高精度地判定内燃机是否发生了爆震。

根据另一方面，本发明提供一种用于判定内燃机的爆震的爆震判定设备。该爆震判定设备包括：波形检测单元，其检测与径向模式相对应的频带的振动波形，径向模式是在内燃机的气缸中燃烧压力传播的共振模式；存储单元，其预先存储与径向模式相对应的频带的振动波形；以及判定单元，其基于所检测到的波形和存储的波形之间的比较结果来判定在内燃机中是否发生爆震。

根据本发明，波形检测单元检测对应于径向模式(诸如径向一阶共振模式)的振动波形，其中径向模式是在内燃机的气缸中燃烧压力传播的共振模式。存储单元预先存储与径向一阶共振模式相对应的频带的振动波形。判定单元基于所检测到的波形和存储的波形之间的比较结果来判定在内燃机中是否发生爆震。例如，通过实验等准备表示爆震发生时的振动波形的爆震波形模型，并将其预先存储。爆震波形模型是与径向一阶共振模式相对应的频带的振动波形。在与径向一阶共振模式相对应的频带的振动中，几乎检测不到内燃机正常燃烧时产生的噪声。此外，爆震特有的振动包括与径向一阶共振模式相对应的频带的振动。因而，通过检测与径向一阶共振模式相对应的频带的振动，能够高精度地检测与爆震相对应的振动，同时能够避开由发动机工作产生的噪声等引起的振动。通过比较爆震波形模型和所检测到的波形，能够判定是否发生爆震。因而，不仅能够基于振动的幅度而且基于振动发生的时刻来判定是否发生爆震。结果，能够高精度地判定内燃机是否发生了爆震。

优选地，存储的波形是基于内燃机的气缸中的中央上部处的压力的振动波形。

根据本发明，存储的波形是基于内燃机的气缸中的中央上部处的压力的振动波形。在与径向一阶共振模式相对应的频带的振动中，几乎检测不到内燃机正常燃烧时产生的噪声。此外，爆震特有的振动包括与径向一阶共振模式相对应的频带的振动。因而，通过检测与径向一阶共振模式相对应的频带的振动，能够高精度地检测与爆震相对应的振动，同时能够避开由发动机工作产生的噪声等引起的振动。

更优选地，存储的波形是由设置在内燃机上的波形检测单元获得的波形。

根据本发明，存储的波形是由设置在内燃机上(例如，在气缸体或者气缸盖上)的波形检测单元获得的波形。例如，从由波形检测单元检测的波形中，将与径向一阶共振模式相对应的频带的振动的波形提取出来，并将其作为爆震波形模型存储。通过比较存储的爆震波形模型和在内燃机工作期间检测到的波形，能够高精度判定内燃机是否发生爆震。

根据另一方面，本发明提供一种用于判定内燃机的爆震的爆震判定设备。该爆震判定设备包括：波形检测单元，其检测与切向模式相对应的频带的振动波形，切向模式是在内燃机的气缸中燃烧压力传播的共振模式；存储单元，其预先存储与切向模式相对应的频带的振动波形；以及判定单元，其基于检测到的波形和存储的波形之间的比较结果来判定在内燃机中是否发生爆震。

根据本发明，波形检测单元检测与切向模式(例如，切向一阶、二阶、三阶和四阶共振模式)相对应的频带的振动波形，切向模式是在内燃机的气缸中燃烧压力传播的共振模式。存储单元预先存储与切向模式相对应的频带的振动波形。判定单元基于检测到的波形和存储的波形之间的比较结果来判定在内燃机中是否发生爆震。例如，通过实验等准备表示爆震发生时的振动波形的爆震波形模型，并将其预先存储。例如，将包括爆震特有的振动、在切向一阶、二阶、三阶和四阶共振模式中至少一个共振模式的频带的振动波形设定为爆震波形模型。通过比较爆震波形模型和检测到的波形，能够从检测到的振动中高精度地判定是否发生爆震。因而，不仅能够基于振动的幅度而且基于振动发生的时刻来判定是否发生爆震。结果，能够提供一种能够高精度地判定内燃机是否发生了爆震的爆震判定设备。

优选地，存储的波形是基于在与内燃机的气缸的中心轴线正交方向上的压力的振动波形。

根据本发明，所存储的波形是基于在与内燃机的气缸的中心轴线正交方向上的压力的振动波形。能够基于在与内燃机的气缸的中心轴线正交方向上的压力检测与切向模式相对应的频带的振动。

更优选地，存储的波形是由设置在内燃机上的波形检测单元获得的波形。

根据本发明，存储的波形是由设置在内燃机上(例如，在气缸体或者气缸盖上)的波形检测单元获得的波形。例如，从由波形检测单元检测的波形中，将与切向模式相对应的频带的振动的波形提取出来，并将其作为爆震波形模型存储。通过比较所存储的爆震波形模型和在内燃机工作期间检测到的波形，能够高精度判定内燃机是否发生爆震。

附图说明

图1是示出了根据本发明第一实施例的爆震判定设备控制的发动机的示意构造图。

图2A和图2B表示在正常燃烧期间和发生爆震时缸内压力的振动波形。

图3示出了对应于各种共振模式的理论频率。

图4A至图4C表示缸内压力和气缸体处的振动的功率频谱。

图5A和图5B表示气缸中央上部分处的缸内压力的振动功率频谱。

图6表示存储在发动机ECU的存储器中的爆震波形模型。

图7是图示由作为根据第一实施例的爆震判定设备的发动机ECU执行的程序的控制结构的流程图。

图8示出了发动机的振动波形。

图9示出了归一化的振动波形和爆震波形模型之间的比较。

图10是示出了由根据本发明的第二实施例的爆震判定设备控制的发动机的示意构造图。

图11A和图11B表示气缸侧面上的缸内压力的振动的功率频谱。

图12是图示由作为根据本发明第二实施例的爆震判定设备的发动机ECU执行的程序的控制结构的流程图。

具体实施方式

以下将参照附图描述本发明的实施例。在以下描述中，相同的部件用相同的参考符号表示。其名称和功能也相同。因而，不再重复其详细描述。

第一实施例

参照图1，将描述包括了根据本发明实施例的爆震判定设备的车辆的发动机100。本实施例的爆震判定装置由例如发动机ECU(电子控制单元)200执行的程序来实现。

发动机100是这样的内燃机，在其中，通过空气滤清器102吸入的空气与由喷射器104喷射的燃料的混合气由火花塞106点燃，然后在燃烧室中燃烧。

空气燃料混合气的燃烧产生了将活塞108向下压的燃烧压力，由此曲轴110旋转。已燃空气燃料混合气(或者排出气体)由三元催化剂112净化，然后排出到车外。吸入发动机110的空气量由节气门114调节。

发动机100由发动机ECU200控制，发动机ECU200具有与其相连的水温传感器302、与正时转子304相对布置的曲轴位置传感器306、节气门开度传感器308、车辆速度传感器310和点火开关312。

水温传感器302检测发动机100的水套内冷却水的温度，然后将表示检测结果的信号传输到发动机ECU200。

正时转子304设置在曲轴110处，并随着曲轴110旋转而旋转。正时转子304的外周设置有多个以预定的距离间隔开的突起。曲轴位置传感器306与正时转子304的突起相对布置。当正时转子304旋转时，正时转子304的突起和曲轴位置传感器306之间的空气间隙变化，使得通过曲轴位置传感器的线圈部分的磁通量增大/减小，由此产生了电动势。曲轴位置传感器306将表示电动势的信号传输到发动机ECU200。根据从曲轴位置传感器306传输的信号，发动机ECU200检测曲轴角度。

节气门开度传感器308检测节气门打开位置，并将表示检测结果的信号传输到发动机ECU200。车辆速度传感器310检测车轮(未示出)的转数，并将表示检测结果的信号传输到发动机ECU200。根据车轮的转数，发动机ECU200计算车辆速度。点火开关312由驾驶员开启，以起动发动机100。

缸内压力传感器314从发动机100的气缸的中央上部朝设置到气缸中，并感测气缸内的压力。缸内压力传感器314将表示所感测的气缸内的压力的信号传输到发动机ECU200。在本实施例中，缸内传感器314是例如与火花塞集成的传感器。

发动机ECU200使用从各个传感器和点火开关312传输的信号以及存储在存储器202中的映射图和程序，来进行控制设备的操作，使得发动机100达到所期望的驱动状况。

在本实施例中，使用从缸内压力传感器314传输的信号和曲轴角度，发动机ECU200以预定的爆震检测距离(从预定第一曲轴角度到预定第二曲轴角度的区间)检测发动机100的振动的波形(以下，该振动的波形也将简称为“振动波形”)，并根据所检测到的振动波形判定发动机100是否发生爆震。本实施例的爆震检测距离是在燃烧行程中从上死点(0°)到90°。注意，爆震检测距离不限于此。

如图2A所示，当爆震发生时，在由缸内压力传感器314检测的、气缸中央上部处的缸内压力中检测到爆震特有的振动分量。在正常燃烧期间(此时，不发生与爆震相对应的振动)，缸内压力传感器314检测到的缸内压力不会包括爆震特有的振动分量，且自身的噪声微弱。

另一方面，如图2B所示，当发生爆震时，如图2A那样，在气缸的侧面的缸内压力中检测到爆震特有的振动分量，并且在正常燃烧期间(此时，不发生与爆震相对应的振动)，观测到非爆震的噪声。

其原因如下。在由缸内压力传感器314检测到的缸内压力中，正常燃烧中的切向模式(圆周方向)的振动由于振动的节点在气缸的中央部分而难以检测到。此外。爆震特有的振动包括径向一阶共振模式的振动，因而主要检测径向模式(径向方向)的缸内压力波形。

将具体地描述此现象。当爆震在发动机100的气缸中发生时，缸内压力共振。通过缸内压力共振，发动机100的气缸体振动。因而，自然地就有气缸体振动的频率包括在缸内压力共振频带内的趋势。

缸内压力共振频率实现为与气缸中气柱共振模式相对应的频率。共振模式包括径向模式和切向模式，径向模式是气缸径向方向的振动共振模式，切向模式是气缸圆周方向的振动共振模式。其中出现爆震特有的振动的代表性频带包括径向一阶共振模式的频带和切向一阶、二阶、三阶和四阶共振模式的频带。在以下描述中，至少包括切向一阶、二阶、三阶和四阶共振模式中至少一者的共振模式简称为“切向模式”，包括径向一阶模式的共振模式将简称为“径向模式”。

缸内压力的共振频率根据共振模式、孔径和音速来计算。图3示出了当假定音速和孔径为不变时与相应共振模式阶数相对应的理论频率f(1)至f(6)。理论频率以切向一阶、切向二阶、径向一阶、切向三阶和切向四阶模式的顺序升高。

如图4A所示，对于发生爆震时、基于由缸内压力传感器314检测到的、气缸的中央上部处的缸内压力的振动分量的功率频谱，径向一阶频率f(3)的波形的功率值较大。此外，在切向二阶和三阶共振模式的振动中，在气缸的中央部分有节点，所以频率f(2)和f(4)的波形功率值较小。因而，由此得出结论，基于由缸内压力传感器314检测到的缸内压力的振动波形受到与切向模式相对应的频带的振动的影响不大。

此外，如图4B所示，对于发生爆震时、基于气缸的侧面处的缸内压力的振动分量的功率频谱，切向一阶、二阶、三阶和四阶模式的频率f(1)、f(2)、f(3)和f(4)的波形功率较大。此外，在径向一阶共振模式的振动中，气缸的侧面部分有节点，因而频率f(3)的波形功率值较小。因而，由此得出结论，基于气缸侧面处的缸内压力的振动波形受到与径向模式相对应的频带的振动的影响不大。

此外，如图4C所示，发生爆震时发动机100的气缸体的振动波形的功率频谱的变化方式与基于气缸侧面处的缸内压力的振动波形的方式类似，且径向一阶频率f(3)的波形功率值较小，切向一阶、二阶、三阶和四阶模式的频率f(1)、f(2)、f(3)和f(4)的波形功率值较大。由此可见，气缸侧面处的气缸压力的振动特性和发动机100的气缸体的振动特性一致。因而，由此得出结论，发动机100的气缸体的振动波形受到与径向模式相对应的频率带的振动的影响不大。

根据以上，如图2A所示，由缸内压力传感器314检测到的缸内压力的径向一阶振动分量的波形是这样的：根据此波形，在正常燃烧时和爆震发生时难以检测到非爆震的噪声。

本发明的特征在于通过使用设置在检测位置处的传感器检测发动机100燃烧引起的振动(包括对应于共振模式的振动)，其中此检测位置对应于包括切向模式和径向模式的共振模式中任何一者，这些共振模式是燃烧压力在发动机100的气缸中传播的共振模式，本发明的特征还在于基于所检测到的振动判定内燃机是否发生爆震。

在本实施例中，由设置在气缸中央上部的气缸压力传感器314检测发动机100的气缸中径向一阶共振模式的频带的振动分量，发动机ECU200基于所检测到的振动分量判定在内燃机中是否发生爆震。在本实施例中，“对应于共振模式的检测位置”是“气缸的中央上部”。

如图5A所示，对于发生爆震时由缸内压力传感器314检测到的振动分量的功率频谱，频率f(3)的功率值升高。在本实施例中，通过使用具有图5B所示的滤波增益特性的带通滤波器，将包括频率f(3)的频带的振动波形提取出，从而形成了缸内压力的振动波形。可以使用高通滤波器来代替带通滤波器。在此情况下，可以将高于预定频率的频带(包括频率f(3))的振动波形提取出，以形成缸内压力的振动波形。

将所获得的振动波形与存储在发动机ECU200的存储器202中的爆震波形模型进行比较。爆震波形模型是发动机100发生爆震的振动波形的模型。

如图6所示，在爆震波形模型中，振动幅度由无量纲数字0至1表示，并不唯一地对应于曲轴角度。更具体地，对于本实施例的爆震波形模型，尽管确定了振动的幅度在振动幅度的峰值之后随着曲轴角度增大而减小，但是不确定振动幅度为峰值时的曲轴角度。此处，爆震波形模型表示径向一阶模式的频带的振动波形。

在本实施例中，爆震波形模型对应于由爆震引起的振动的幅度峰值以后的振动部分。应该注意，也可以存储与因爆震引起的振动上升以后的振动相对应的爆震波形模型。

爆震模型是这样的获得的：进行实验等强制发动机100爆震，检测发动机100的振动波形，根据此波形形成爆震波形模型，然后将其进行预先存储。通过示例的方式，可以通过对由缸内压力传感器314每隔预定角度(在本实施例中为每隔五度(5°))感测的信号进行积分来计算爆震波形模型，或者可以使用均方根(RMS)或者希尔伯特包络线来计算。爆震波形模型可以由不同的方法形成。发动机ECU200将所检测到的波形与所存储的爆震波形模型进行比较，并判定发动机100是否发生爆震。

优选地，基于与共振模式相对应的振动形成爆震波形模型。具体地，爆震波形模型应该优选地通过这样来形成：当通过实验等强制发生爆震时，使用缸内压力传感器314检测气缸中央上部处的缸内压力的振动分量，并使用具有如图5B所示的增益特性的带通滤波器等提取包括与径向一阶模式相对应的频率f(3)的频带的振动。

参考图9，将描述在根据本实施例的爆震判定设备中由发动机ECU200执行的程序控制结构。

在步骤(以下简称为“S”)100，发动机ECU200根据从缸内压力传感器314传输的信号检测基于发动机100的气缸的中央上部的缸内压力的径向模式的振动幅度。发动机ECU200根据从缸内压力传感器314传输的振动分量检测与由带通滤波器提取的径向一阶共振模式相对应的频带的振动幅度。振动幅度由缸内压力传感器314的输出电压值表示。注意，振动幅度可以由与从缸内压力传感器314输出的电压值相对应的值表示。在燃烧行程中，在从上死点到90°(曲轴角度)之间的角度对振动幅度进行检测。

在S102，发动机ECU200每隔五度的曲轴角度对从缸内压力传感器314输出的电压值(即，表示振动幅度)进行积分计算(以下还称为“积分值”)。针对与径向一阶共振模式相对应的频带计算积分值。根据所计算的积分值，形成发动机100的振动波形。

在S104，发动机ECU200对振动波形进行归一化。此处，对振动波形进行归一化意思是例如将各积分值除以所检测到的波形中积分值的最大值，使得振动幅度由无量纲数字0至1表示。每个积分值的除数不限于积分值的最大值。

在S106，发动机ECU200计算相关系数K，该相关系数K是关于归一化的振动波形和爆震波形模型之间偏差的值。使归一化的振动波形的最大振动幅度时刻与爆震波形模型的最大振动幅度时刻一致，同时针对每个(隔五度)曲轴角度计算归一化的振动波形和爆震波形模型之间的偏差绝对值(或者偏离量)，由此获得相关系数K。

当我们用ΔS(I)(其中I是自然数)表示每个曲轴角度归一化振动波形和爆震波形模型之间的偏差绝对值，用S表示将爆震波形模型的振动幅度相对于曲轴角度进行积分的值(即，爆震波形模型的面积)时，然后由式K＝(S-∑ΔS(I))/S计算相关系数K，其中，∑ΔS(I)表示从上死点到90°的ΔS(I)之和。注意，可以用不同的方法计算相关系数K。

在S108，发动机ECU200计算爆震强度N。当我们用P表示所计算的积分值的最大值，用BGL(Back Ground Level)表示发动机100不发生爆震时(即，在正常燃烧时)发动机100的振动幅度的值时，由式N＝P×K/BGL计算爆震强度N。BGL存储在存储器202中。注意爆震强度N可以用不同的方法计算。

在S110，发动机ECU200判定爆震强度N是否大于预定的基准值。如果爆震强度N大于预定基准值(在S110中为是)，控制进行到S112。否则(在S110为否)，控制进行到S116。

在S112，发动机ECU200判定发动机100发生爆震。在S114，发动机ECU200延迟点火。在S116，发动机ECU200判定发动机100不发生爆震。在S118，发动机ECU200提前点火。

将描述基于上述构造和流程图、本实施例的爆震判定设备的发动机ECU200的工作。

当驾驶员开启点火开关312，发动机100起动时，根据从缸内压力传感器314传输的信号检测发动机100的振动幅度(S100)。

在燃烧行程的上死点到90°的范围，针对径向一阶模式的频带的振动计算每隔五度的积分值(S102)，根据所计算的积分值，形成振动波形。因而，如图8所示，将发动机100的振动波形检测为径向一阶模式的频带的振动的波形。

由于使用每隔五度的积分值来检测振动波形，所以可以检测细微变化受到抑制的振动波形。这使得更容易将所检测到的振动波形与爆震波形模型进行比较。

每个积分值除以最大积分值，以对波形进行归一化(S104)，使得能够在振动波形和爆震波形模型之间进行比较。此处，假定每个积分值除以20°到25°的积分值(在图8中从左算起第五个积分值)来对振动波形进行归一化。通过归一化，振动波形的振动幅度由无量纲数字0至1表示。因而，不管振动幅度如何，所检测到的振动波形能够与爆震波形模型进行比较。这能够消除存储与振动幅度相对应的大量爆震波形模型的必要性，因而便于准备爆震波形模型。

如图9所示，使归一化的振动波形的最大振动幅度时刻与爆震波形模型的最大振动幅度时刻一致，同时针对每个曲轴角度计算归一化的振动波形和爆震波形模型之间的偏差绝对值ΔS(I)。使用ΔS(I)的总和∑ΔS(I)和表示爆震波形模型的振动幅度相对于曲轴角度进行积分的值S来计算相关系数K＝(S-∑ΔS(I))/S(S106)。这允许用数值表示所检测到的振动波形和爆震波形模型之间的一致程度，因而允许进行客观的判定。

以此方式计算的相关系数K与最大积分值P的乘积除以BGL以计算爆震强度N(S108)。因而，使用振动幅度以及所检测到的振动波形和爆震波形模型之间的一致程度，能够更详细地分析发动机100的振动是否由爆震引起的。此处，假定相关系数K与20°到25°的积分值的乘积除以BGL以计算爆震强度N。

如果爆震强度N大于预定基准值(在S110中为是)，则判定发动机发生爆震(S112)，并延迟点火(S114)以抑制爆震。

如果爆震强度N不大于预定基准值(在S110为否)，则判定发动机没有发生爆震(S116)，并提前点火(S118)。

如上所示，在根据本实施例的爆震判定设备中，缸内压力传感器设置在气缸的中央上部处，并检测气缸中与径向一阶共振模式相对应的振动分量。由于缸内压力传感器设置在与径向一阶共振模式相对应的位置处，能够检测受到径向一阶共振模式的频带的振动的影响较大的内燃机的振动。基于所检测到的振动，发动机ECU200判定发动机中是否发生爆震。由于将与径向一阶共振模式相对应的频带的振动提取出来，可以从所检测到的振动中消除非爆震的噪声，并高精度地检测爆震特有的振动。

此外，爆震波形模型表示与径向一阶共振模式相对应的频带的振动波形。通过比较爆震波形模型与所检测到的波形，判定是否发生爆震。因而，不仅能够基于振动的幅度而且还基于振动发生的时刻判定发动机是否发生爆震。结果，能够提供一种精确地判定在内燃机中是否发生爆震的爆震判定设备。

此外，在本实施例中，通过计算爆震波形模型和所检测到的波形的形状的相关系数来将两者进行比较，判定所检测到的波形是否表示与爆震相对应的振动，但是这样的方法不受限制，可以使用任何其它方法，只要两者之间的类似性能够数值化即可。通过示例的方式，通过使图案一致的方法可以获得表示爆震波形模型和所检测到的波形之间类似性的数值，因而可以判定所检测到的波形是否与爆震相对应的振动。使图案一致的具体方法已经公知，因而此处不对其进行详细描述。

第二实施例

以下，将描述根据本发明第二实施例的用于内燃机的爆震判定设备。根据本实施例的爆震判定设备与以上所述的第一实施例的爆震判定设备不同之处在于，其包括爆震传感器300和代替缸内压力传感器314并设置在气缸侧面上的缸内压力传感器316。除了这些点之外，其构造和根据以上所述的第一实施例的爆震判定设备相同。相同的部件用相同的参考符号表示。其功能也相同。因而，在此处就不重复其详细描述。

如图10所示，缸内压力传感器316设置在发动机100的气缸侧面上，并感测在与气缸的中心轴线正交的方向上的气缸压力。气缸压力传感器316将表示所感测的气缸中的压力的信号传输到发动机ECU200。

爆震传感器300由压电元件来实现。随着发动机100振动，爆震传感器300产生幅度对应于振动幅度的电压。爆震传感器300将表示该电压的信号传输到发动机ECU200。

如以上参照第一实施例的图4A所描述那样，爆震特有的振动包括切向一阶至四阶共振模式的振动。至于气缸中央上部的缸内压力，在切向共振模式的振动中，由于在气缸的中央部分有节点，因而难以检测切向模式中的振动。因而，在本实施例中，发动机ECU200用设置在气缸侧面上的缸内压力传感器316检测与图4B所示的发动机100的气缸的切向一阶、二阶、三阶和四阶共振模式相对应的频带的振动，并基于所检测到的振动判定在内燃机中是否发生爆震。在本实施例中，“对应于共振模式的检测位置”是指“气缸侧面”。

如图11A所示，对于发生爆震时由缸内压力传感器316检测的振动分量的功率频谱，在频率f(1)、f(2)、f(3)和f(4)处的功率值增大。在本实施例中，通过使用具有如图11B所示的滤波增益特性的带通滤波器，将包括频率f(1)、f(2)、f(4)和f(5)的频带提取出来，从而形成缸内压力的波形。被提取出来的频带不限于分别包括频率f(1)、f(2)、f(4)和f(5)的四个频带。例如，其可以是四个频带中任何一者，或者可以选择多个频带，其可以仅仅是这些频带中至少一者。可以使用高通滤波器来代替带通滤波器。在此情况下，可以将包括频率f(1)、f(2)、f(3)和f(4)中至少一个且高于预定频率的频带的振动波形提取出来，以形成缸内压力的振动波形。

优选地，存储在存储器202中的爆震波形模型是基于由缸内压力传感器316感测的、在与气缸中心轴线正交的方向上的压力而形成的振动波形。具体地，爆震波形模型应该优选地这样形成：当通过实验等强制发生爆震时，使用缸内压力传感器316检测气缸侧面处的缸内压力的振动分量，并使用具有如图11B所示的增益特性的带通滤波器等提取包括与切向一阶至四阶模式相对应的频率f(1)、f(2)、f(4)和f(5)的频带的振动。

参考图12，将描述在根据本实施例的爆震判定设备中由发动机200执行的程序控制结构。在图12的流程图中，与上述图7相同的处理由相同的步骤数表示。处理的内容也相同。因而，此处将不再重复其详细的描述。

在步骤S200，发动机ECU200根据从缸内压力传感器316传输的信号检测基于发动机100的气缸侧面处的缸内压力的切向模式的振动的幅度。发动机ECU200根据从缸内压力传感器316传输的振动检测与由带通滤波器提取的切向一阶至四阶共振模式相对应的频带的振动幅度。振动幅度由缸内压力传感器316的输出电压值表示。注意，振动幅度可以由与从缸内压力传感器316输出的电压值相对应的值表示。在燃烧行程中，在从上死点到90°(曲轴角度)之间的角度对振动幅度进行检测。

在S202，发动机ECU200每隔五度的曲轴角度对从缸内压力传感器316输出的电压值(即，表示振动幅度)进行积分计算(以下还称为“积分值”)。针对与切向一阶至四阶共振模式相对应的相应频带计算积分值。将所计算的积分值进行合成，从而形成发动机100的振动波形。

将描述基于上述构造和流程图、本实施例的爆震判定设备的发动机ECU200的工作。

当驾驶员开启点火开关312，发动机100起动时，根据从缸内压力传感器316传输的信号检测发动机100的振动幅度(S200)。

在燃烧行程的上死点到90°的范围，针对切向一阶至四阶共振模式的频带的振动计算每隔五度的积分值(S102)，并将所计算的积分值进行合成。

由于使用每隔五度的积分值来检测振动波形，所以可以检测细微变化受到抑制的振动波形。这使得更容易将所检测到的振动波形与爆震波形模型进行比较。

将每个积分值除以最大积分值以对波形进行归一化(S104)，使得能够在振动波形和爆震波形模型之间进行比较。通过归一化，振动波形的振动幅度由无量纲数字0至1表示。因而，不管振动幅度如何，所检测到的振动波形能够与爆震波形模型进行比较。这能够消除存储与振动幅度相对应的大量爆震波形模型的必要性，因而便于准备爆震波形模型。

使归一化的振动波形的最大振动幅度时刻与爆震波形模型的最大振动幅度时刻一致，同时针对每隔曲轴角度计算归一化的振动波形和爆震波形模型之间的偏差绝对值ΔS(I)。使用ΔS(I)的总和∑ΔS(I)表示爆震波形模型的振动幅度相对于曲轴角度进行积分的值S来计算相关系数K＝(S-∑ΔS(I))/S(S106)。这允许用数值表示所检测到的振动波形和爆震波形模型之间的一致程度，因而允许进行客观的判定。

以此方式计算的相关系数K与最大积分值P的乘积除以BGL以计算爆震强度N(S108)。因而，使用振动幅度以及所检测到的振动波形和爆震波形模型之间的一致程度，能够更详细地分析发动机100的振动是否由爆震引起的。

如果爆震强度N大于预定基准值(在S110中为是)，则判定发动机发生爆震(S112)，并延迟点火(S114)，以抑制爆震。

如果爆震强度N不大于预定基准值(在S110为否)，则判定发动机没有发生爆震(S116)，并提前点火(S118)。

如上所示，在根据本实施例的爆震判定设备中，缸内压力传感器设置在气缸侧面处，并检测气缸中与切向一阶至四阶共振模式相对应的振动分量。由于缸内压力传感器设置在与切向一阶至四阶共振模式相对应的位置处，能够检测受到切向一阶至四阶共振模式的频带的振动的影响较大的内燃机的振动。基于所检测到的振动，发动机ECU200判定发动机中是否发生爆震。由于将与切向一阶至四阶共振模式相对应的频带的振动提取出来，可以从所检测到的振动中消除非爆震的噪声，并高精度地检测爆震特有的振动。

此外，爆震波形模型是与切向一阶至四阶共振模式相对应的频带的振动波形的合成波。通过比较爆震波形模型与所检测到的波形，判定是否发生爆震。因而，不仅能够基于振动的幅度而且还基于振动发生的时刻判定发动机是否发生爆震。结果，能够提供一种精确地判定在内燃机中是否发生爆震的爆震判定设备。

尽管与切向一阶至四阶共振模式相对应的频带的振动分量由本实施例中的缸内压力传感器感测，但是缸内传感器的使用是不受限制的。具体地，在以上参照图4C的描述的第一实施例中，气缸侧面处的缸内压力的振动特性趋于与发动机100的气缸体的振动特性一致。因而，可以从由爆震传感器300感测的发动机100的气缸体的振动提取出与切向一阶至四阶共振模式相对应的频带的振动，并基于所提取出的振动，判定是否发生爆震。

由爆震传感器300感测的振动可以包括由发动机工作产生的、处于各种频带的各种机械噪声。然而，通过提取出与切向一阶至四阶共振模式相对应的振动，可以提取出爆震特有的振动。因而，根据所检测到的振动，能够高精度地检测爆震特有的振动。因而，可以高精度地检测内燃机中是否发生爆震。优选地，爆震波形模型也应该是基于由爆震传感器300感测的振动形成的振动波形。具体地，优选地，爆震波形模型是这样形成的：通过使用带通滤波器等，从由爆震传感器300感测的振动提取出与切向一阶至四阶模式相对应的频带的振动。以此方式，能够从所检测到的波形中高精度地检测到爆震特有的振动。

应该理解到，此处公开的实施例在各个方面是示例性和非限制性。本发明的范围由权利要求项限定，而不是以上描述，并意在包括该范围和与权利要求项等同的意义内的任何修改。

Claims (29)

1.一种用于内燃机(100)的爆震判定设备，包括：

检测单元(300、314、316)，其设置在与包括切向模式和径向模式的共振模式中任一者相对应的检测位置处，并检测由所述内燃机(100)的燃烧引起的振动，所述共振模式是在所述内燃机的气缸中燃烧压力传播的共振模式，所述振动包括与所述共振模式相对应的振动；以及

判定单元(200)，其基于所述检测到的振动来判定在所述内燃机(100)中是否发生爆震。

2.根据权利要求1所述的爆震判定设备，其中，

所述检测单元(314)从所述内燃机(100)的所述气缸的中央上部设置到所述气缸内，并基于所述气缸中的压力来检测由所述内燃机(100)的燃烧引起的振动，所述振动包括与所述径向模式相对应的振动。

3.根据权利要求1所述的爆震判定设备，其中，

所述检测单元(316)设置在所述内燃机(100)的侧面上，并基于所述气缸中的压力来检测由所述内燃机(100)的燃烧引起的振动，所述振动包括与所述切向模式相对应的振动。

4.根据权利要求1所述爆震判定设备，其中，

所述检测单元(300)设置在所述内燃机(100)上，并检测由所述内燃机(100)的燃烧引起的振动，所述振动包括与所述切向模式相对应的振动。

5.根据权利要求1所述的爆震判定设备，还包括：

提取单元(200)，其提取与所述共振模式相对应的频带的振动；其中

所述判定单元(200)基于所述提取的振动来判定在所述内燃机(100)中是否发生爆震。

6.根据权利要求5所述的爆震判定设备，其中，

所述提取单元(200)是带通滤波器或者高通滤波器。

7.根据权利要求5所述的爆震判定设备，还包括：

波形检测单元(300)，其基于所述提取的振动来检测预定的曲轴角度间隔的振动波形；以及

存储单元(202)，其预先存储所述内燃机(100)的振动波形；其中

所述判定单元(200)基于所述检测到的波形和所述存储的波形之间的比较结果来判定在所述内燃机(100)中是否发生爆震。

8.一种用于内燃机(100)的爆震判定设备，包括：

波形检测单元(300)，其检测与径向模式相对应的频带的振动波形，所述径向模式是在所述内燃机(100)的气缸中燃烧压力传播的共振模式；

存储单元(202)，其预先存储与所述径向模式相对应的所述频带的振动波形；以及

判定单元(200)，其基于所述检测到的波形和所述存储的波形之间的比较结果来判定在所述内燃机(100)中是否发生爆震。

9.根据权利要求8所述的爆震判定设备，其中，

所述存储的波形是基于所述内燃机(100)的所述气缸中的中央上部处的压力的振动波形。

10.根据权利要求8所述的爆震判定设备，其中，

所述存储的波形是由设置在所述内燃机(100)上的所述波形检测单元(300)获得的波形。

11.一种用于内燃机(100)的爆震判定设备，包括：

波形检测单元(300)，其检测与切向模式相对应的频带的振动波形，所述切向模式是在所述内燃机(100)的气缸中燃烧压力传播的共振模式；

存储单元(202)，其预先存储与所述切向模式相对应的所述频带的振动波形；以及

判定单元(200)，其基于所述检测到的波形和所述存储的波形之间的比较结果来判定在所述内燃机(100)中是否发生爆震。

12.根据权利要求11所述的爆震判定设备，其中，

所述存储的波形是基于在与所述内燃机(100)的所述气缸的中心轴线正交的方向上的压力的振动波形。

13.根据权利要求11所述的爆震判定设备，其中，

所述存储的波形是由设置在所述内燃机(100)上的所述波形检测单元(300)获得的波形。

14.一种用于内燃机(100)的爆震判定设备，包括：

检测装置(300、314、316)，其设置在与包括切向模式和径向模式的共振模式中任一者相对应的检测位置处，并用于检测由所述内燃机(100)的燃烧引起的振动，所述共振模式是所述内燃机的气缸中燃烧压力传播的共振模式，所述振动包括与所述共振模式相对应的振动；以及

判定装置(200)，其用于基于所述检测到的振动来判定在所述内燃机(100)中是否发生爆震。

15.根据权利要求14所述的爆震判定设备，其中，

所述检测装置(314)包括这样的装置，所述装置从所述内燃机(100)的所述气缸的中央上部设置到所述气缸内，并用于基于所述气缸中的压力来检测由所述内燃机(100)的燃烧引起的振动，所述振动包括与所述径向模式相对应的振动。

16.根据权利要求14所述的爆震判定设备，其中，

所述检测装置(316)包括这样的装置，所述装置设置在所述内燃机(100)的侧面上，并用于基于所述气缸中的压力来检测由所述内燃机(100)的燃烧引起的振动，所述振动包括与所述切向模式相对应的振动。

17.根据权利要求14所述爆震判定设备，其中，

所述检测装置(300)包括这样的装置，所述装置设置在所述内燃机(100)上，并用于检测由所述内燃机(100)的燃烧引起的振动，所述振动包括与所述切向模式相对应的振动。

18.根据权利要求14所述的爆震判定设备，还包括：

提取装置(200)，其用于提取与所述共振模式相对应的频带的振动；其中

所述判定装置(200)基于所述提取的振动来判定在所述内燃机(100)中是否发生爆震。

19.根据权利要求18所述的爆震判定设备，其中，

所述提取装置(200)是带通滤波器或者高通滤波器。

20.根据权利要求18所述的爆震判定设备，还包括：

波形检测装置(300)，其用于基于所述提取的振动来检测预定的曲轴角度间隔的振动波形；以及

存储装置(202)，其用于预先存储所述内燃机(100)的振动波形；其中

所述判定装置(200)包括这样的装置，其用于基于所述检测到的波形和所述存储的波形之间的比较结果来判定在所述内燃机(100)中是否发生爆震。

21.一种用于内燃机(100)的爆震判定设备，包括：

波形检测装置(300)，其用于检测与径向模式相对应的频带的振动波形，所述径向模式是在所述内燃机(100)的气缸中燃烧压力传播的共振模式；

存储装置(202)，其用于预先存储与所述径向模式相对应的所述频带的振动波形；以及

判定装置(200)，其用于基于所述检测到的波形和所述存储的波形之间的比较结果来判定在所述内燃机(100)中是否发生爆震。

22.根据权利要求21所述的爆震判定设备，其中，

所述存储的波形是基于所述内燃机(100)的所述气缸中的中央上部处的压力的振动波形。

23.根据权利要求21所述的爆震判定设备，其中，

所述存储的波形是由设置在所述内燃机(100)上的所述波形检测装置(300)获得的波形。

24.一种用于内燃机(100)的爆震判定设备，包括：

波形检测装置(300)，其用于检测与切向模式相对应的频带的振动波形，所述切向模式是在所述内燃机(100)的气缸中燃烧压力传播的共振模式；

存储装置(202)，其用于预先存储与所述切向模式相对应的所述频带的振动波形；以及

判定装置(200)，其用于基于所述检测到的波形和所述存储的波形之间的比较结果来判定在所述内燃机(100)中是否发生爆震。

25.根据权利要求24所述的爆震判定设备，其中，

所述存储的波形是基于在与所述内燃机(100)的所述气缸的中心轴线正交的方向上的压力的振动波形。

26.根据权利要求24所述的爆震判定设备，其中，

所述存储的波形是由设置在所述内燃机(100)上的所述波形检测装置(300)获得的波形。

27.一种用于内燃机(100)的爆震判定设备，包括：

检测传感器(300、314、316)，其设置在与包括切向模式和径向模式的共振模式中任一者相对应的检测位置处，并检测由所述内燃机(100)的燃烧引起的振动，所述共振模式是所述内燃机的气缸中燃烧压力传播的共振模式，所述振动包括与所述共振模式相对应的振动；以及

ECU(200)；其中

所述ECU(200)基于所述检测到的振动来判定在所述内燃机(100)中是否发生爆震。

28.一种用于内燃机(100)的爆震判定设备，包括：

波形检测传感器(300)，其检测与径向模式相对应的频带的振动波形，所述径向模式是在所述内燃机(100)的气缸中燃烧压力传播的共振模式；以及

ECU(200)；其中

所述ECU预先存储与所述径向模式相对应的所述频带的振动波形，并且

基于所述检测到的波形和所述存储的波形之间的比较结果来判定在所述内燃机(100)中是否发生爆震。

29.一种用于内燃机(100)的爆震判定设备，包括：

波形检测传感器(300)，其检测与切向模式相对应的频带的振动波形，所述切向模式是在所述内燃机(100)的气缸中燃烧压力传播的共振模式；以及

ECU(200)；其中

所述ECU预先存储与所述切向模式相对应的所述频带的振动波形，并且

基于所述检测到的波形和所述存储的波形之间的比较结果来判定在所述内燃机(100)中是否发生爆震。

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